天氣漸寒，華北電網(wǎng)各級調(diào)度人員越發(fā)忙碌。
用電負荷化作跳動上升的曲線和數(shù)字，讓他們必須在屏幕前的拓撲電網(wǎng)上作出“秒級”反應——騰挪電力頂住晚峰，“補上”消失的光，“管住”時有時無的風。
5月27日，華北電力調(diào)度控制中心調(diào)度員密切監(jiān)控電網(wǎng)運行情況。
冬季用電高峰期、供暖期、枯水期三期疊加，新能源發(fā)電的間歇性和不穩(wěn)定性，讓冬季用電負荷上升與電力供應的平衡矛盾更加突出。即使是華北電力調(diào)度控制中心主任劉一民這樣的老調(diào)度人也倍感壓力。
保安全，在高比例電力電子設備接入的情況下電網(wǎng)要穩(wěn)定運行;保供應，在尖峰負荷和極端天氣頻發(fā)的考驗里保障電力供給;保消納，在新能源發(fā)電快速發(fā)展的形勢下中保證消納量率齊升。安全、供應、消納，一個都不能少。如何做好這三項工作并在變化與挑戰(zhàn)中尋求“最優(yōu)解”?
摸清安全邊界：當新能源與電網(wǎng)特性疊加出多重不確定性，如何尋找“確定性”?
華北電網(wǎng)很特殊：在電源裝機上，不管是火電裝機、新能源裝機還是電源總裝機，華北電網(wǎng)都位居全國區(qū)域電網(wǎng)首位;在網(wǎng)架結構上，華北電網(wǎng)已建成1000千伏交流特高壓主干網(wǎng)架，區(qū)域內(nèi)有錫林郭勒盟—山東、蒙西—天津南、張北—勝利等特高壓交流工程;在新能源發(fā)展上，華北電網(wǎng)新能源發(fā)電占比穩(wěn)步提升，新能源發(fā)電成為電量增量主體，電網(wǎng)呈現(xiàn)出全新的形態(tài)。
新能源發(fā)電裝機占電源總裝機比例超過45%，華北電網(wǎng)“雙高”特征顯著，電力系統(tǒng)復雜性和不確定性持續(xù)增加，系統(tǒng)抗擾動能力面臨考驗。既要“供得上”負荷，又要“吃得下”新能源，在推進新型電力系統(tǒng)構建的過程中，安全尤為重要。
“無論什么時候，守住安全對電網(wǎng)企業(yè)來說都是底線。我們有句老話叫安全‘萬無一失’，因為安全‘一失萬無’。”國網(wǎng)華北分部發(fā)展規(guī)劃部副主任李付強說。
在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，發(fā)電機組和發(fā)電容量相對確定，電網(wǎng)安全風險相對易于掌控。新能源的崛起帶來新變化：單機容量小、并網(wǎng)點分散，發(fā)電出力及運行特性呈現(xiàn)較強隨機性，電網(wǎng)向低慣量、低阻尼、弱支撐轉變，寬頻振蕩等新現(xiàn)象涌現(xiàn)，原有的電力系統(tǒng)穩(wěn)定機理難以適應新特性，電力系統(tǒng)穩(wěn)定面臨嚴峻挑戰(zhàn)。
如果說傳統(tǒng)電網(wǎng)運行存在一定的“慣性”，那么現(xiàn)在，這些“慣性”正在被打破。
如何應戰(zhàn)?
“在電力系統(tǒng)轉型期，實現(xiàn)分部和省級電力公司規(guī)劃力量的有效融合、規(guī)劃與運行的有效銜接，更加聚焦大系統(tǒng)安全和電力保供的研究，是時代賦予我們的重要課題。”李付強說，在電網(wǎng)規(guī)劃的“最初一公里”，就要努力實現(xiàn)新型電力系統(tǒng)規(guī)劃“橫向到邊、縱向到底”。
新型電力系統(tǒng)建設中，對大電網(wǎng)的運行特性需要重新認知。“以前的電網(wǎng)是基于風險狀況的統(tǒng)籌分析來運行，出現(xiàn)問題后，調(diào)度去緊急處置。好比開著車走在一條一眼望到頭的高速公路上，路中間如果有坑，避開就行。”劉一民解釋說，“現(xiàn)在，好比這輛車開進‘無人區(qū)’，眼前有團‘迷霧’，前方是平路還是深淵，不清楚，要改變傳統(tǒng)觀念，通過新的安全的手段摸清電網(wǎng)運行的安全邊界。”
讓調(diào)度運行的拓撲電網(wǎng)和真實的物理電網(wǎng)對應起來，更清晰地認知新型電網(wǎng)，是撥開眼前“迷霧”的關鍵。
管理電網(wǎng)設備的部門也在思考同樣的問題。變電站數(shù)量不斷增加，設備管理量快速增長，這讓國網(wǎng)華北分部生產(chǎn)技術部主任江長明思考：“我們對設備的運行規(guī)律是不是足夠了解?”
更加精細的管理手段勢在必行。“新型電力系統(tǒng)構建中，更需要用系統(tǒng)的觀念去認知電網(wǎng)，掌握故障發(fā)生的特征規(guī)律至關重要。”江長明說，必須用新技術、新手段，讓物理電網(wǎng)中設備的狀態(tài)更加穩(wěn)定，進而給電網(wǎng)安全運行增加更多的確定性。
觀念的突破，帶動理念、方法與管理的系統(tǒng)性更新。
在調(diào)度側，拓撲電網(wǎng)與物理電網(wǎng)“牽手”。11月4日，華北地區(qū)普遍出現(xiàn)新一輪降溫，在華北電力調(diào)度控制中心的大屏幕上，全息智能管控平臺顯示著天氣、地貌、設備、電氣等數(shù)據(jù)。調(diào)度員坐在電腦前，查看千里之外電網(wǎng)的實時狀態(tài)。年初以來，全息智能管控平臺20多次成功預警惡劣天氣對在運設備造成影響。大電網(wǎng)狀態(tài)“看”得更清晰，為電網(wǎng)運行預留出更多安全“提前量”。
在設備側，變壓器有了故障主動防范的新手段。國網(wǎng)華北分部生產(chǎn)技術部融合在線監(jiān)測技術和繼電保護技術，研究提出了變壓器故障主動防御技術，成功研制世界首臺變壓器主動防御裝置。這相當于得到了準確的故障特征“DNA”。
如今，國家電網(wǎng)六大區(qū)域電網(wǎng)的多臺重要變壓器上，都新裝了主動防御裝置。“現(xiàn)在只要監(jiān)測到故障征兆，比對上‘DNA’，主動防御裝置就可以精準識別并實施保護。”江長明說。針對這項成果，中國工程院院士邱愛慈評價：“大型變壓器主動防御裝置的成功研發(fā)深化了人們對變壓器故障放電規(guī)律的認識，也是防御思維的大膽創(chuàng)新。”
保障電網(wǎng)安全是一項系統(tǒng)工作。國網(wǎng)華北分部安全監(jiān)察部在構建起“華北電網(wǎng)安全風險矩陣”的基礎上，正在推動適應新型電力系統(tǒng)的華北特高壓及省級輸電網(wǎng)安全性評價方法研究。“我們要以新的評價方法去適應新的系統(tǒng)特點，更好地防范安全風險。”該分部安全監(jiān)察部主任牛四清說。
從電網(wǎng)規(guī)劃“謀”，到調(diào)度運行“看”，到設備管理“控”，再到安全監(jiān)察“防”，在華北電網(wǎng)，新型電力系統(tǒng)安全管控形成了閉環(huán)。
這還不夠。另一團“迷霧”急需解開——對“沙戈荒”大型風電光伏基地特性的認知。
錫林郭勒盟是我國重要的清潔能源基地，這里的綠電通過錫林郭勒盟—山東、張北—勝利兩條特高壓通道送往華北。新能源電源與常規(guī)電源通過特高壓交直流外送，新能源、直流功率、檢修方式等多維度排列組合，需要考慮的運行工況達上千種。同時，新能源機組暫態(tài)過程變化速度快、控制邏輯“千機千面”，風火聯(lián)合外送場景下，傳統(tǒng)毫秒級的機電暫態(tài)穩(wěn)定問題與微秒級的新型穩(wěn)定問題交織并存，會對電網(wǎng)安全運行產(chǎn)生巨大影響。
如何認知新能源場站的特性?電磁暫態(tài)仿真時間尺度為微秒級，類似電力系統(tǒng)的“顯微鏡”，是準確認知高比例新能源電網(wǎng)的有力工具。
在國家電力調(diào)度控制中心的指導下，國網(wǎng)華北分部與中國電科院攻關電磁暫態(tài)仿真技術，在錫盟“沙戈荒”大型風電光伏基地建立了全電磁暫態(tài)仿真模型。這相當于把錫盟“沙戈荒”大型風電光伏基地“搬”進了電腦。通過不斷仿真計算，他們探明了新能源出力波動對風火聯(lián)合送出系統(tǒng)的影響機理，實現(xiàn)對穩(wěn)定特征“算得細、看得清、驗得真”。在此基礎上，國網(wǎng)華北分部自主研發(fā)了新型避雷器，破解了暫時過電壓制約新能源電力送出的難題，積極推動分布式調(diào)相機并網(wǎng)投產(chǎn)，為保障新能源大基地送出電網(wǎng)安全運行積累了經(jīng)驗。
從大電網(wǎng)運行到新能源基地，撥開新型電力系統(tǒng)運行特性的層層“迷霧”，其中的復雜邏輯被逐步梳理開來：把電網(wǎng)運行的新特性了解清楚，通過新型控制手段、策略，更好實現(xiàn)對電網(wǎng)安全風險的預控。
“以前我們談大電網(wǎng)安全的‘三道防線’，現(xiàn)在我們要研究在每道防線之間增加新的控制手段。”劉一民說，系統(tǒng)保護、頻率防線、寬頻振蕩監(jiān)測等新型防御手段的應用，進一步提升了大電網(wǎng)防范系統(tǒng)性風險的能力。仍有很多新的問題待解，這需要包括電網(wǎng)企業(yè)在內(nèi)的所有相關方的共同努力。
重塑保供角色：當電網(wǎng)負荷“雙峰”挑戰(zhàn)頻繁出現(xiàn)，如何精準配置電力資源?
華北電網(wǎng)夏、冬兩季“雙峰”特征明顯，度冬采暖負荷、度夏空調(diào)負荷大幅增加，峰谷差不斷擴大，加上極端天氣影響，尖峰時刻越發(fā)成為常態(tài)，電力保供面臨著新的挑戰(zhàn)。
區(qū)域內(nèi)有錫盟、張北、山西等能源基地，華北電網(wǎng)電力“糧食”充足。但遇到“極熱無風”“晚峰無光”的情況仍會力不從心。2023年12月12～14日，華北地區(qū)大范圍降雪，新能源發(fā)電出力短時間內(nèi)驟降，且持續(xù)多日出力偏低;今年8月22日，華北地區(qū)高溫天氣影響風電出力，風電對晚峰平衡支撐嚴重不足。
不僅如此，華北區(qū)域在保供中的角色也在變化。“華北電網(wǎng)通過‘一交六直’特高壓與四個區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)，既作為‘大受端’受入東北、西北電網(wǎng)電力，又作為‘大送端’將電力送至華東、華中電網(wǎng)。近些年，我們向區(qū)外送電的規(guī)模也越來越大，從被支援轉變?yōu)樗褪懿⒋?。各個區(qū)域在電力保供的關系越來越密切。”華北能源監(jiān)管局市場監(jiān)管處處長呂峰說。
雙重挑戰(zhàn)下，怎樣平衡供給與需求?
電網(wǎng)網(wǎng)架的優(yōu)化升級仍是關鍵手段。
近年來，華北電網(wǎng)實現(xiàn)由500千伏電網(wǎng)向1000千伏特高壓電網(wǎng)的跨越式發(fā)展。以10月31日投運的1000千伏張北—勝利特高壓交流工程為例，工程將錫盟、張家口兩大新能源基地互聯(lián)，特高壓送出通道總送出能力達到1820萬千瓦。電網(wǎng)網(wǎng)架的升級促進區(qū)域內(nèi)清潔能源開發(fā)消納，也增強了電網(wǎng)抵御嚴重故障的能力。
升級的不僅是主網(wǎng)架，各級電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展水平也不斷提升。在北京，國網(wǎng)北京電力按照“密布點、短半徑”規(guī)劃配電站點。在天津，“雪花網(wǎng)”的落地讓電網(wǎng)使用效率提升近30%。
網(wǎng)架“硬件”先行，打牢基礎，而如何用好通道精準配置資源，是保供的另一個關鍵。
隨著新型電力系統(tǒng)建設推進，無論電力保供或新能源電量消納，單靠一個省的資源稟賦和調(diào)節(jié)力量遠遠不夠。“我們利用東北、華北、西北電網(wǎng)進入早峰時間依次約晚1小時、光伏發(fā)電出力存在45分鐘至90分鐘時差的屬性，置換華北、東北、西北電網(wǎng)早峰跨區(qū)錯峰電力，‘三北’電網(wǎng)彼此響應，很大程度緩解了電網(wǎng)平衡壓力。”北京電力交易中心市場交易二部主任張哲介紹。
精準調(diào)配資源的同時，源網(wǎng)荷儲共同保供的措施也在推動。電源側，電網(wǎng)企業(yè)走訪發(fā)電企業(yè)推動“開源”;負荷側，更多節(jié)能減排的方法讓用電“節(jié)流”。這些舉措使得新型電力系統(tǒng)“雙峰”條件下應對保供挑戰(zhàn)更加自如。
“長遠來看，電網(wǎng)規(guī)劃也需要在保供中考慮新型電力系統(tǒng)的特性。”李付強建議，優(yōu)化跨區(qū)電力流規(guī)劃原則，充分挖掘跨經(jīng)度光伏發(fā)電、跨風帶風電和跨流域水電互補保障潛力，同時在聯(lián)網(wǎng)樞紐節(jié)點增加更多保供力量，以給區(qū)域電力保供增添更多的底氣。
打通消納鏈條：當快速增長的新能源急需系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力升級，如何凝聚消納合力?
華北地區(qū)新能源發(fā)電增速迅猛。一組數(shù)據(jù)可以直觀呈現(xiàn)——預計今年年底華北電網(wǎng)新能源發(fā)電裝機將達3.7億千瓦，同比增長37%;京津冀地區(qū)每使用4千瓦時電，就有1千瓦時是綠電;近3年，在華北電網(wǎng)新增用電量中，六成以上由新能源新增電量供應。
“華北地區(qū)的新能源電量消納至關重要。一方面，‘雙碳’目標的實現(xiàn)，需要保障綠電消納;另一方面，消納綠電、建設綠色華北也是推進區(qū)域能源轉型的關鍵所在，需要源網(wǎng)荷儲鏈條的各方共同發(fā)力。”華北能源監(jiān)管局黨組書記、局長童光毅表示。
華北電網(wǎng)“富煤、貧水”，火電是調(diào)節(jié)性電源的主力軍。在世界現(xiàn)役最大火電廠——總裝機672萬千瓦的托克托電廠，一場深度改造早已開始。2018年至今，電廠完成全部10臺火電機組深度調(diào)峰改造。“改造后，在用電低谷時段機組出力能夠降得更低，給新能源發(fā)電讓出空間，并獲得相應的市場收益。”托克托電廠總工程師郭洪義說。
從“讓我調(diào)峰”到“我要調(diào)峰”，火電廠的這種轉變是因為華北調(diào)峰容量和調(diào)峰輔助服務市場的建立。在華北區(qū)域，僅今年上半年就新增超過1600萬千瓦火電深調(diào)改造，新增295萬千瓦火電調(diào)峰能力，調(diào)峰能力累計達2927萬千瓦，促進消納新能源電量172億千瓦時。
儲能的調(diào)節(jié)能力也不斷被發(fā)掘。在光伏發(fā)電裝機大省山東，分布式光伏電源累計并網(wǎng)容量在光伏發(fā)電總裝機中占比近80%。目前，山東省新型儲能規(guī)模已超553萬千瓦。新型儲能能為電網(wǎng)運行提供調(diào)峰、調(diào)頻等服務，有效提升新能源電量消納的靈活性、經(jīng)濟性和安全性。8月，東營市華潤財金紅光漁業(yè)光伏發(fā)電項目配套建設的儲能設施轉為獨立儲能，并入山東電網(wǎng)。項目每年可新增消納新能源電量約6000萬千瓦時。
截至今年6月底，華北電網(wǎng)230座新型儲能電站并網(wǎng)規(guī)模達1033萬千瓦/2189萬千瓦時。在新能源電量消納困難時段，國網(wǎng)華北分部全網(wǎng)協(xié)同運用新型儲能調(diào)節(jié)能力，促進消納新能源電量12.87億千瓦時。
在電網(wǎng)側，新技術的運用讓新能源場站送出能力大大提升。
冀北地區(qū)的并網(wǎng)新能源發(fā)電裝機占統(tǒng)調(diào)裝機規(guī)模的76.7%，居全國省級電網(wǎng)首位。在國網(wǎng)冀北電力的推動下，冀北電網(wǎng)已建成國內(nèi)規(guī)模最大的新能源匯集系統(tǒng)分布式調(diào)相機群。張家口、承德等地的新能源場站已投運28臺分布式調(diào)相機，總容量68萬千乏，提升新能源電力送出能力146.5萬千瓦。
在負荷側，多元主體參與調(diào)峰，也促進了新能源電量消納。
11月5日傍晚，河北保定徐水區(qū)太和莊村民喬新華把愛車開到村里剛安裝的充電樁旁：“聽說在這里充電能用上我家屋頂光伏發(fā)的電，我也來試試。”國網(wǎng)河北電力打造臺區(qū)級源荷儲充微電網(wǎng)，“打包”管理臺區(qū)內(nèi)光伏發(fā)電、充電樁、儲能、負荷等場景，借助大數(shù)據(jù)算法給出新能源汽車充放電最佳策略，實現(xiàn)臺區(qū)內(nèi)新能源電量100%就地消納。
華北地區(qū)的電網(wǎng)企業(yè)已經(jīng)聚合電采暖、大工業(yè)、新能源汽車等11種負荷側可調(diào)節(jié)資源，累計促進消納新能源電量9.62億千瓦時。
消納新能源電量，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性提出更高要求，需要源網(wǎng)荷儲各主體協(xié)同配合。而從長期看，相關機制的建立將成為新能源電量消納的“軟支撐”。不斷完善的電力市場機制將調(diào)動各類主體參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)，推動新技術發(fā)展，也引導用戶調(diào)整用能習慣，共同促進新能源電量消納。
5月23日，山西電網(wǎng)用電負荷達3337萬千瓦，午間新能源發(fā)電出力1976萬千瓦，但晚高峰新能源發(fā)電出力僅342萬千瓦。在市場機制引導下，各類調(diào)節(jié)資源自主參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)，保障了新能源電量消納。
截至10月底，華北電網(wǎng)2024年綠電交易電量達415億千瓦時，占公司經(jīng)營區(qū)綠電交易總量的33.7%。其中，京津冀地區(qū)綠電交易電量396億千瓦時，同比增長80%。
隨著新型電力系統(tǒng)建設深入推進，新的挑戰(zhàn)仍在出現(xiàn)。以技術創(chuàng)新破解難點痛點，以機制建設為新能源發(fā)展托底，凝聚源網(wǎng)荷儲各方合力，華北電網(wǎng)一系列探索實踐，朝著安全、保供、消納“最優(yōu)解”一步步邁進。
劉一民這樣形容現(xiàn)在的工作：我們像是“試飛員”，只有不斷模擬試驗，才能知道會遇到什么問題，進而改進提升。
“我們一步一步往前走，哪怕只是前進一小步，也是不斷探尋這個‘最優(yōu)解’的過程。”他說，不管面臨什么樣的挑戰(zhàn)，一定要把工作做好。(張云 馬佳)
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